Siltumenerģijas pārvēršana elektroenerģijā ar augstu efektivitāti: metodes un aprīkojums

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-01-17 19:00

Siltumenerģija cilvēka darbībā ieņem īpašu vietu, jo tiek izmantota visās tautsaimniecības nozarēs, pavada lielāko daļu industriālo procesu un cilvēku iztikas līdzekļu. Vairumā gadījumu siltuma pārpalikums tiek zaudēts neatgriezeniski un bez jebkāda ekonomiska labuma. Šis zaudētais resurss vairs nav nekā vērts, tāpēc tā atkārtota izmantošana palīdzēs gan mazināt enerģētikas krīzi, gan aizsargāt vidi. Tāpēc jauni veidi, kā pārvērst siltumu elektroenerģijā un siltuma pārpalikumu elektroenerģijā, mūsdienās ir aktuālāki nekā jebkad agrāk.

Elektroenerģijas ražošanas veidi

Dabisko enerģijas avotu pārvēršanai elektroenerģijā, siltumā vai kinētiskajā enerģijā ir nepieciešama maksimāla efektivitāte, jo īpaši gāzes un ogļu spēkstacijās, lai samazinātu CO2 emisijas_{2. Ir dažādi konvertēšanas veidisiltumenerģiju elektroenerģijā atkarībā no primārās enerģijas veidiem.}

Starp enerģijas resursiem ogles un dabasgāzi izmanto, lai ražotu elektroenerģiju, sadedzinot (siltuma enerģiju), un urānu, izmantojot kodola skaldīšanu (kodolenerģiju), lai izmantotu tvaika jaudu tvaika turbīnas pagriešanai. 2017. gada desmit lielākās elektroenerģijas ražotājvalstis ir parādītas fotoattēlā.

Esošo sistēmu efektivitātes tabula siltumenerģijas pārvēršanai elektroenerģijā.

	Elektrības ražošana no siltumenerģijas	Efektivitāte, %
1	Siltuma elektrostacijas, koģenerācijas stacijas	32
2	Atomelektrostacijas, atomelektrostacijas	80
3	Kondensācijas spēkstacija, IES	40
4	Gāzes turbīnu spēkstacija, GTPP	60
5	Termioniskie devēji, TEC	40
6	Termoelektriskie ģeneratori	7
7	MHD elektroenerģijas ģeneratori kopā ar CHP	60

Metodes izvēle siltumenerģijas pārvēršanai parelektriskā un tā ekonomiskā iespējamība ir atkarīga no enerģijas nepieciešamības, dabiskā kurināmā pieejamības un būvlaukuma pietiekamības. Ražošanas veids visā pasaulē atšķiras, kā rezultātā elektroenerģijas cenas ir ļoti dažādas.

Tradicionālās elektroenerģijas nozares problēmas

Tehnoloģijām siltumenerģijas pārvēršanai elektroenerģijā, piemēram, termoelektrostacijām, atomelektrostacijām, IES, gāzes turbīnu elektrostacijām, termoelektrostacijām, termoelektriskajiem ģeneratoriem, MHD ģeneratoriem ir dažādas priekšrocības un trūkumi. Elektroenerģijas pētniecības institūts (EPRI) ilustrē dabiskās enerģijas ražošanas tehnoloģiju plusus un mīnusus, aplūkojot tādus kritiskos faktorus kā būvniecība un elektroenerģijas izmaksas, zeme, ūdens prasības, CO emisijas_{2, atkritumi, pieejamība un elastība.}

EPRI rezultāti liecina, ka, apsverot elektroenerģijas ražošanas tehnoloģijas, nav universālas pieejas, tomēr dabasgāze joprojām ir izdevīgāka, jo tā ir pieņemama būvniecībai, tai ir zemas elektroenerģijas izmaksas, tā rada mazāk emisiju nekā ogles. Tomēr ne visām valstīm ir pieejama bagātīga un lēta dabasgāze. Dažos gadījumos piekļuve dabasgāzei ir apdraudēta ģeopolitiskās spriedzes dēļ, kā tas bija Austrumeiropā un dažās Rietumeiropas valstīs.

Atjaunojamās enerģijas tehnoloģijas, piemēram, vējšturbīnas, saules fotoelementu moduļi ražo emisijas elektroenerģiju. Tomēr tiem parasti ir nepieciešams daudz zemes, un to efektivitātes rezultāti ir nestabili un atkarīgi no laikapstākļiem. Ogles, galvenais siltuma avots, ir visproblemātiskākās. Tas rada CO emisijas _{2, dzesēšanas šķidruma atdzesēšanai ir nepieciešams daudz tīra ūdens, un stacijas celtniecībai tas aizņem lielu platību.}

Jauno tehnoloģiju mērķis ir samazināt vairākas problēmas, kas saistītas ar elektroenerģijas ražošanas tehnoloģijām. Piemēram, gāzes turbīnas apvienojumā ar rezerves akumulatoru nodrošina rezerves rezerves gadījumiem, nededzinot degvielu, un periodiskas atjaunojamo resursu problēmas var mazināt, izveidojot pieejamu liela mēroga enerģijas uzglabāšanu. Tādējādi šodien nav viena ideāla veida, kā pārvērst siltumenerģiju elektroenerģijā, kas varētu nodrošināt uzticamu un rentablu elektroenerģiju ar minimālu ietekmi uz vidi.

Siltuma elektrostacijas

Termoelektrostacijā augstspiediena un augstas temperatūras tvaiks, ko iegūst, sildot ūdeni, sadedzinot cieto kurināmo (galvenokārt ogles), rotē ar ģeneratoru savienotu turbīnu. Tādējādi tas pārvērš savu kinētisko enerģiju elektroenerģijā. Termoelektrostacijas darba sastāvdaļas:

1. Katls ar gāzes krāsni.
2. Tvaika turbīna.
3. Ģenerators.
4. Kondensators.
5. Dzesēšanas torņi.
6. Cirkulācijas ūdens sūknis.
7. Padeves sūknisūdens katlā.
8. Piespiedu izplūdes ventilatori.
9. Atdalītāji.

Tipiskā termoelektrostacijas diagramma ir parādīta zemāk.

Tvaika katls tiek izmantots, lai ūdeni pārvērstu tvaikā. Šo procesu veic, sildot ūdeni caurulēs ar apkuri no degvielas sadegšanas. Degšanas procesi nepārtraukti tiek veikti degvielas sadegšanas kamerā ar gaisa padevi no ārpuses.

Tvaika turbīna nodod tvaika enerģiju, lai darbinātu ģeneratoru. Tvaiks ar augstu spiedienu un temperatūru nospiež uz vārpstas uzstādītās turbīnas lāpstiņas tā, ka tā sāk griezties. Šajā gadījumā pārkarsētā tvaika parametri, kas nonāk turbīnā, tiek samazināti līdz piesātinātam stāvoklim. Piesātinātais tvaiks nonāk kondensatorā, un rotācijas jauda tiek izmantota, lai pagrieztu ģeneratoru, kas ražo strāvu. Gandrīz visas mūsdienu tvaika turbīnas ir kondensatora tipa.

Kondensatori ir ierīces tvaika pārvēršanai ūdenī. Tvaiks plūst ārpus caurulēm, un dzesēšanas ūdens plūst cauruļu iekšpusē. Šo dizainu sauc par virsmas kondensatoru. Siltuma pārneses ātrums ir atkarīgs no dzesēšanas ūdens plūsmas, cauruļu virsmas laukuma un temperatūras starpības starp ūdens tvaiku un dzesēšanas ūdeni. Ūdens tvaiku maiņas process notiek pie piesātināta spiediena un temperatūras, šajā gadījumā kondensators atrodas vakuumā, jo dzesēšanas ūdens temperatūra ir vienāda ar āra temperatūru, kondensāta ūdens maksimālā temperatūra ir tuvu āra temperatūrai.

Ģenerators pārveido mehāniskoenerģiju elektrībā. Ģenerators sastāv no statora un rotora. Stators sastāv no korpusa, kurā atrodas spoles, un magnētiskā lauka rotācijas stacija sastāv no serdes, kurā atrodas spole.

Pēc saražotās enerģijas veida TPP iedala kondensācijas IES, kas ražo elektroenerģiju, un koģenerācijas stacijās, kas kopīgi ražo siltumu (tvaiku un karsto ūdeni) un elektrību. Pēdējie spēj pārvērst siltumenerģiju elektroenerģijā ar augstu efektivitāti.

Atomelektrostacijas

Atomelektrostacijas izmanto kodola skaldīšanas laikā izdalīto siltumu, lai sildītu ūdeni un ražotu tvaiku. Tvaiku izmanto, lai pagrieztu lielas turbīnas, kas ražo elektrību. Dalīšanās laikā atomi sadalās, veidojot mazākus atomus, atbrīvojot enerģiju. Process notiek reaktora iekšpusē. Tās centrā ir kodols, kas satur urānu 235. Degvielu kodolspēkstacijām iegūst no urāna, kas satur izotopu 235U (0,7%) un neskaldošo 238U (99,3%).

Kodoldegvielas cikls ir rūpniecisku darbību virkne, kas saistīta ar elektroenerģijas ražošanu no urāna kodolenerģijas reaktoros. Urāns ir samērā izplatīts elements, kas sastopams visā pasaulē. To iegūst vairākās valstīs un apstrādā, pirms to izmanto kā degvielu.

Darbības, kas saistītas ar elektroenerģijas ražošanu, kopā tiek sauktas par kodoldegvielas ciklu siltumenerģijas pārvēršanai elektroenerģijā atomelektrostacijās. KodolenerģijaDegvielas cikls sākas ar urāna ieguvi un beidzas ar kodolatkritumu apglabāšanu. Pārstrādājot izlietoto degvielu kā iespēju izmantot kodolenerģiju, tās darbības veido īstu ciklu.

Urāna-plutonija degvielas cikls

Lai sagatavotu degvielu izmantošanai atomelektrostacijās, tiek veikti kurināmā elementu ieguves, apstrādes, pārveidošanas, bagātināšanas un ražošanas procesi. Degvielas cikls:

1. Uranium 235 sadegšana.
2. Izdedži - 235 U un (239Pu, 241Pu) no 238 U.
3. 235U sabrukšanas laikā tās patēriņš samazinās, un, ražojot elektroenerģiju, izotopus iegūst no 238U.

VVR degvielas stieņu izmaksas ir aptuveni 20% no saražotās elektroenerģijas izmaksām.

Pēc tam, kad urāns ir pavadījis aptuveni trīs gadus reaktorā, izmantoto degvielu var izmantot citā procesā, tostarp pagaidu uzglabāšanu, atkārtotu apstrādi un pārstrādi pirms atkritumu apglabāšanas. Atomelektrostacijas nodrošina tiešu siltumenerģijas pārveidošanu elektroenerģijā. Siltums, kas izdalās kodola skaldīšanas laikā reaktora aktīvā, tiek izmantots, lai ūdeni pārvērstu tvaikā, kas griež tvaika turbīnas lāpstiņas, liekot ģeneratoriem ražot elektrību.

Tvaiks tiek atdzesēts, pārvēršoties ūdenī atsevišķā konstrukcijā spēkstacijā, ko sauc par dzesēšanas torni, kas izmanto ūdeni no dīķiem, upēm vai okeāna, lai atdzesētu tvaika strāvas ķēdes tīro ūdeni. Pēc tam atdzesētais ūdens tiek atkārtoti izmantots tvaika ražošanai.

Elektroenerģijas ražošanas daļa atomelektrostacijās, attiecībā pretto dažādo resursu ražošanas kopējais bilance dažu valstu un pasaules kontekstā - zemāk esošajā fotoattēlā.

Gāzes turbīnu spēkstacija

Gāzes turbīnu spēkstacijas darbības princips ir līdzīgs tvaika turbīnu elektrostacijas darbības principam. Vienīgā atšķirība ir tāda, ka tvaika turbīnu spēkstacija izmanto saspiestu tvaiku, lai pagrieztu turbīnu, bet gāzes turbīnas spēkstacija izmanto gāzi.

Apskatīsim principu siltumenerģijas pārvēršanai elektroenerģijā gāzes turbīnu spēkstacijā.

Gāzes turbīnu spēkstacijā gaiss tiek saspiests kompresorā. Tad šis saspiestais gaiss iziet cauri sadegšanas kamerai, kur veidojas gāzes-gaisa maisījums, paaugstinās saspiestā gaisa temperatūra. Šis augstas temperatūras augstspiediena maisījums tiek izvadīts caur gāzes turbīnu. Turbīnā tā strauji izplešas, saņemot pietiekami daudz kinētiskās enerģijas, lai pagrieztu turbīnu.

Gāzes turbīnu spēkstacijā turbīnas vārpsta, ģenerators un gaisa kompresors ir izplatīti. Turbīnā radītā mehāniskā enerģija daļēji tiek izmantota gaisa saspiešanai. Gāzes turbīnu spēkstacijas bieži izmanto kā rezerves palīgenerģijas piegādātāju hidroelektrostacijām. Tas ģenerē palīgenerģiju hidroelektrostacijas palaišanas laikā.

Gāzes turbīnu spēkstacijas priekšrocības un trūkumi

Dizainsgāzes turbīnu spēkstacija ir daudz vienkāršāka nekā tvaika turbīnas spēkstacija. Gāzes turbīnu spēkstacijas izmēri ir mazāki nekā tvaika turbīnu elektrostacijas izmēri. Gāzes turbīnu spēkstacijā nav katla komponentu, tāpēc sistēma ir mazāk sarežģīta. Nav nepieciešams tvaiks, kondensators vai dzesēšanas tornis.

Jaudīgu gāzes turbīnu spēkstaciju projektēšana un celtniecība ir daudz vienkāršāka un lētāka, kapitāla un ekspluatācijas izmaksas ir daudz mazākas nekā līdzīgas tvaika turbīnu spēkstacijas izmaksas.

Pastāvīgie zudumi gāzturbīnas elektrostacijā ir ievērojami mazāki, salīdzinot ar tvaika turbīnas elektrostaciju, jo tvaika turbīnā katlu spēkstacijai jādarbojas nepārtraukti, pat ja sistēma tīklam nepiegādā slodzi.. Gāzes turbīnu spēkstaciju var iedarbināt gandrīz uzreiz.

Gāzes turbīnu spēkstacijas trūkumi:

1. Turbīnā radītā mehāniskā enerģija tiek izmantota arī gaisa kompresora darbināšanai.
2. Tā kā lielākā daļa turbīnā radītās mehāniskās enerģijas tiek izmantota gaisa kompresora darbināšanai, gāzturbīnas spēkstacijas kopējā efektivitāte nav tik augsta kā līdzvērtīgai tvaika turbīnas elektrostacijai.
3. Izplūdes gāzes gāzturbīnu spēkstacijā ļoti atšķiras no katla.
4. Pirms faktiskās turbīnas palaišanas gaisam jābūt iepriekš saspiestam, kam nepieciešams papildu enerģijas avots, lai iedarbinātu gāzes turbīnas spēkstaciju.
5. Gāzes temperatūra ir pietiekami augstagāzes turbīnu spēkstacija. Tas nodrošina īsāku sistēmas kalpošanas laiku nekā līdzvērtīgai tvaika turbīnai.

Zemākas efektivitātes dēļ gāzes turbīnu spēkstaciju nevar izmantot komerciālai elektroenerģijas ražošanai, to parasti izmanto, lai piegādātu papildu enerģiju citām tradicionālajām elektrostacijām, piemēram, hidroelektrostacijām.

Termioniskie pārveidotāji

Tos sauc arī par termoģeneratoriem vai termoelektriskiem motoriem, kas tieši pārvērš siltumu elektroenerģijā, izmantojot siltuma emisiju. Siltumenerģiju ar ļoti augstu efektivitāti var pārvērst elektriskajā enerģijā, izmantojot temperatūras izraisītu elektronu plūsmas procesu, kas pazīstams kā termiskais starojums.

Termioniskās enerģijas pārveidotāju darbības pamatprincips ir tāds, ka elektroni iztvaiko no sakarsēta katoda virsmas vakuumā un pēc tam kondensējas uz aukstāka anoda. Kopš pirmās praktiskās demonstrācijas 1957. gadā termoelektrostacijas jaudas pārveidotāji ir izmantoti ar dažādiem siltuma avotiem, taču tiem visiem nepieciešama darbība augstā temperatūrā - virs 1500 K. Termioniskās jaudas pārveidotāju darbība salīdzinoši zemā temperatūrā (700 K - 900 K) ir iespējama, procesa efektivitāte, kas parasti ir > 50%, ir ievērojami samazināta, jo no katoda emitēto elektronu skaits laukuma vienībā ir atkarīgs no sildīšanas temperatūras.

Parastiem katoda materiāliem, piemēram,tāpat kā metāli un pusvadītāji, emitēto elektronu skaits ir proporcionāls katoda temperatūras kvadrātam. Tomēr nesen veikts pētījums parāda, ka siltuma temperatūru var samazināt par lielumu, izmantojot grafēnu kā karstu katodu. Iegūtie dati liecina, ka uz grafēna bāzes veidots katoda termiskais pārveidotājs, kas darbojas pie 900 K, var sasniegt 45% efektivitāti.

Fotoattēlā parādīta elektronu termiskās emisijas procesa shematiskā diagramma.

TIC, pamatojoties uz grafēnu, kur Tc un Ta ir attiecīgi katoda temperatūra un anoda temperatūra. Pamatojoties uz jauno termiskās emisijas mehānismu, pētnieki ierosina, ka uz grafēna bāzes veidotais katoda enerģijas pārveidotājs varētu atrast savu pielietojumu rūpnieciskā siltuma atkritumu otrreizējā pārstrādē, kas bieži sasniedz temperatūras diapazonu no 700 līdz 900 K.

Jaunais modelis, ko prezentēja Liang un Eng, varētu noderēt uz grafēnu balstīta jaudas pārveidotāja konstrukcijai. Cietvielu jaudas pārveidotāji, kas galvenokārt ir termoelektriskie ģeneratori, parasti darbojas neefektīvi zemas temperatūras diapazonā (efektivitāte ir mazāka par 7%).

Termoelektriskie ģeneratori

Atkritumu enerģijas otrreizēja pārstrāde ir kļuvusi par populāru mērķi pētniekiem un zinātniekiem, kuri izstrādā novatoriskas metodes šī mērķa sasniegšanai. Viena no perspektīvākajām jomām ir termoelektriskās ierīces, kuru pamatā ir nanotehnoloģija, kasizskatās kā jauna pieeja enerģijas taupīšanai. Tieša siltuma pārvēršana elektroenerģijā vai elektrības pārvēršana siltumā ir pazīstama kā termoelektrība, kuras pamatā ir Peltjē efekts. Precīzāk sakot, efekts ir nosaukts divu fiziķu vārdā – Žana Peltjē un Tomasa Zībeka.

Peltjē atklāja, ka strāva, kas tiek nosūtīta uz diviem dažādiem elektrības vadītājiem, kas ir savienoti divos krustojumos, izraisīs viena savienojuma uzsilšanu, bet otrs atdziest. Peltjē turpināja izpēti un atklāja, ka bismuta-antimona (BiSb) krustojumā ūdens pilei var sas alt, vienkārši mainot strāvu. Peltjē arī atklāja, ka elektriskā strāva var plūst, ja temperatūras starpība ir novietota pāri dažādu vadītāju savienojuma vietai.

Termoelektrība ir ārkārtīgi interesants elektroenerģijas avots, jo tā spēj pārveidot siltuma plūsmu tieši elektroenerģijā. Tas ir ļoti mērogojams enerģijas pārveidotājs, kuram nav kustīgu daļu vai šķidrās degvielas, tāpēc tas ir piemērots gandrīz jebkurai situācijai, kurā daudz siltuma mēdz iet nelietderīgi, sākot no apģērba līdz lielām rūpnieciskām iekārtām.

Pusvadītāju termopāru materiālos izmantotās nanostruktūras palīdzēs uzturēt labu elektrovadītspēju un samazināt siltumvadītspēju. Tādējādi termoelektrisko ierīču veiktspēju var palielināt, izmantojot materiālus, kuru pamatā ir nanotehnoloģijas, arizmantojot Peltjē efektu. Tiem ir uzlabotas termoelektriskās īpašības un laba saules enerģijas absorbcijas spēja.

Termoelektrības pielietojums:

1. Enerģijas nodrošinātāji un sensori diapazonos.
2. Degoša eļļas lampiņa, kas kontrolē bezvadu uztvērēju attālinātai saziņai.
3. Mazo elektronisko ierīču, piemēram, MP3 atskaņotāju, digitālo pulksteņu, GPS/GSM mikroshēmu un impulsu mērītāju izmantošana ar ķermeņa siltumu.
4. Ātri dzesēšanas sēdekļi luksusa automašīnās.
5. Attīriet transportlīdzekļos esošo siltuma pārpalikumu, pārvēršot to elektroenerģijā.
6. Pārveidojiet siltumenerģiju no rūpnīcām vai rūpniecības objektiem papildu jaudā.
7. Saules termoelektriskie elementi elektroenerģijas ražošanā var būt efektīvāki nekā fotoelementi, īpaši apgabalos, kur ir mazāk saules gaismas.

MHD strāvas ģeneratori

Magnetohidrodinamiskie enerģijas ģeneratori ģenerē elektroenerģiju, mijiedarbojoties kustīgam šķidrumam (parasti jonizētai gāzei vai plazmai) un magnētiskajam laukam. Kopš 1970. gada MHD pētniecības programmas ir īstenotas vairākās valstīs, īpašu uzmanību pievēršot ogļu kā kurināmā izmantošanai.

MHD tehnoloģiju ģenerēšanas pamatprincips ir elegants. Parasti elektriski vadošā gāze tiek ražota augstā spiedienā, sadedzinot fosilo kurināmo. Pēc tam gāze tiek virzīta caur magnētisko lauku, kā rezultātā tajā iedarbojas elektromotora spēks saskaņā ar indukcijas likumu. Faradejs (nosaukts 19. gadsimta angļu fiziķa un ķīmiķa Maikla Faradeja vārdā).

MHD sistēma ir siltuma dzinējs, kas ietver gāzes izplešanos no augsta uz zemu spiedienu tāpat kā parastā gāzes turbīnas ģeneratorā. MHD sistēmā gāzes kinētiskā enerģija tiek tieši pārvērsta elektroenerģijā, jo tai ir atļauts paplašināties. Interesi par MHD ģenerēšanu sākotnēji izraisīja atklājums, ka plazmas mijiedarbība ar magnētisko lauku var notikt daudz augstākās temperatūrās, nekā tas ir iespējams rotējošā mehāniskā turbīnā.

Ierobežojošo veiktspēju siltumdzinēju efektivitātes ziņā 19. gadsimta sākumā noteica franču inženieris Sadi Carnot. MHD ģeneratora izejas jauda uz katru tā tilpuma kubikmetru ir proporcionāla gāzes vadītspējas reizinājumam, gāzes ātruma kvadrātam un magnētiskā lauka stipruma kvadrātam, caur kuru gāze iet. Lai MHD ģeneratori darbotos konkurētspējīgi, ar labu veiktspēju un saprātīgiem fiziskajiem izmēriem, plazmas elektrovadītspējai ir jābūt temperatūras diapazonā virs 1800 K (apmēram 1500 C vai 2800 F).

MHD ģeneratora veida izvēle ir atkarīga no izmantotās degvielas un pielietojuma. Ogļu rezervju pārpilnība daudzās pasaules valstīs veicina MHD oglekļa sistēmu attīstību elektroenerģijas ražošanai.